tuzsutТруды учебных заведений связиProceedings of Telecommunication Universities1813-324X2712-8830СПбГУТ10.31854/1813-324X-2025-11-4-51-66AEIIDHtuzsut-697Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, INSTRUMENTATION AND COMMUNICATIONSРазработка секторной антенны для базовой станции сотовой связи с антенным элементом на диэлектрической подложкеDevelopment of a Sector Antenna for a Cellular Base Station with an Antenna Element on a Dielectric Substratehttps://orcid.org/0000-0002-2441-4385ЛукъяновН. О.LukyanovN. O.

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры радиосвязи Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного

lukyanovNO@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2626-0962ЛянгузовД. А.LyanguzovD. A.

кандидат технических наук, инженер, преподаватель кафедры радиотехники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

lyanguzov.da@sut.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1523-1955ЧернышовА. Г.ChernyshovA. G.

кандидат технических наук, доцент кафедры беспроводных технологий и систем Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

chernyshov.ag@sut.ruВоенная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. БуденногоРоссияTelecommunications Military AcademyRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-БруевичаРоссияThe Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of TelecommunicationsRussian Federation2025010920251145166Copyright © Лукъянов Н.О., Лянгузов Д.А., Чернышов А.Г., 20252025Лукъянов Н.О., Лянгузов Д.А., Чернышов А.Г.Lukyanov N.O., Lyanguzov D.A., Chernyshov A.G.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/697

Актуальность темы состоит в необходимости развития сетей сотовой связи, что с одной стороны, ставит перед инженерами задачу по разработке антенных устройств, обеспечивающих необходимую дальность связи, а с другой стороны, накладывает ограничения на линейные размеры излучателей с сохранением требований по простоте изготовления и надежности эксплуатации, с учетом неблагоприятных погодных условий. В условиях перехода к стандартам связи нового поколения возникает потребность в создании антенных систем, способных работать в широком диапазоне частот и обеспечивать устойчивый уровень сигнала при высокой плотности абонентов. Особую значимость приобретает разработка антенных решеток, позволяющих формировать заданные диаграммы направленности и обеспечивать равномерное покрытие обслуживаемой территории.

Цель исследования заключается в разработке малогабаритной антенной решетки с требуемыми электрическими характеристиками. Антенные элементы должны отличаться технологичностью изготовления.

В качестве численных методов для вычисления электрических характеристик антенны использованы метод конечных элементов и метод конечных разностей во временно́й области. Для решения задачи сокращения линейных размеров антенного элемента с сохранением направленных и диапазонных свойств применен градиентный метод оптимизации.

Результатом исследования является полноразмерный экспериментальный образец линейной антенной решетки базовой станции сотовой связи. Его конструкция и характеристики обоснованы в данной работе.

Научная новизна: описание методики нового подхода в изготовлении элемента антенны, отличающегося от существующих использованием специальной подстилающей вставки под каждый элемент антенной решетки.

Практическая значимость результатов научного исследования заключается в разработке антенной решетки, имеющую безыскаженную диаграмму направленности в диапазоне частот 1710–2700 МГц и коэффициент усиления не менее 15 дБ.

The relevance of the topic is to develop cellular networks, which, on the one hand, requires the development of antenna devices that provide the required communication range, and on the other hand, imposes restrictions on the linear dimensions of emitters while maintaining the requirements for ease of manufacture and reliability of operation, taking into account adverse weather conditions. With the transition to next-generation communication standards, there is an increasing demand for antenna systems capable of operating over a wide frequency range and providing a stable signal level under high subscriber density. Of particular importance is the development of antenna arrays that allow the formation of specified radiation patterns and ensure uniform coverage of the serviced area.

The goal is to develop a small-sized antenna array with the required electrical characteristics. Antenna elements should be distinguished by manufacturability. The finite element method (FEM) and the finite difference method in the time domain (FDTD) are used as numerical methods for calculating the electrical characteristics of the antenna. The gradient optimization method is used to solve the problem of reducing the linear dimensions of the antenna element while maintaining directional and range properties.

The result of the study is a full-size experimental sample of a linear antenna array of a cellular base station. Its design and characteristics are substantiated in this work.

Novelty: description of the method of a new approach to the manufacture of an antenna element, which differs from existing ones by using a special underlying insert under each element of the antenna array.

The practical significance of the results of scientific research lies in the development of an antenna array with a distortion-free directional diagram in the frequency range of 1710‒2700 MHz and a gain of at least 15 dB.

антеннаантенная решеткадипольсотовая связьметод конечных разностей во временно́й областиметод конечных элементовantennaantenna arraydipolecellular communicationFDTDFEMReferencesLiao B., Liu B., Deng S. A dual-polarized radiation element, antenna and its applications. Chinese Patent, no. CN201610561359.5, 15.07.2016.Liao B., Liu B., Deng S. A dual-polarized radiation element, antenna and its applications. Chinese Patent, no. CN201610561359.5, 15.07.2016Zhi N., Li K.-M. Antennas for Base Stations in Wireless Communications. New York, 2009. 372 p.Zhi N., Li K.-M. Antennas for Base Stations in Wireless Communications. New York; 2009. 372 p.Wu Q., Li H., Wong S.-W., Lin Y.-C., He Y. A Low-Profile Dual-Polarized Dielectric Resonator Antenna for 2G/3G/4G Base Station Applications With Gain Enhancement // Proceedings of the International Workshop on Radio Frequency and Antenna Technologies (iWRF&AT, Shenzhen, China, 31 May – 03 June 2024). IEEE, 2024. PP. 486–488. DOI:10.1109/iWRFAT61200.2024.10594368Wu Q., Li H., Wong S.-W., Lin Y.-C., He Y. A Low-Profile Dual-Polarized Dielectric Resonator Antenna for 2G/3G/4G Base Station Applications With Gain Enhancement. Proceedings of the International Workshop on Radio Frequency and Antenna Technologies, iWRF&AT, 31 May – 03 June 2024, Shenzhen, China. IEEE; 2024. p.486–488. DOI:10.1109/iWRFAT61200.2024.10594368You C., He Y., Li W., Zhang L. A Novel High-Isolation Positive-and-Negative-45-Degree Dual-Polarization 5G mm Wave Micro Base Station Antenna // Proceedings of the International Symposium On Antennas And Propagation (ISAP, Kuala Lumpur, Malaysia, 30 October – 02 November 2023). IEEE, 2023. PP. 450–454. DOI:10.1109/ISAP57493.2023.10388575You C., He Y., Li W., Zhang L. A Novel High-Isolation Positive-and-Negative-45-Degree Dual-Polarization 5G mm Wave Micro Base Station Antenna. Proceedings of the International Symposium On Antennas And Propagation, ISAP, 30 October – 02 November 2023, Kuala Lumpur, Malaysia. IEEE; 2023. p.450–454. DOI:10.1109/ISAP57493.2023.10388575Huang W., He Y., Khan A. A Novel Sub-6 GHz and Millimeter Wave Shared-Aperture 5G Base Station Antenna // Proceedings of the International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium (ACES-China, Hangzhou, China, 15–18 August 2023). IEEE, 2023. PP. 1071–1072. DOI:10.23919/ACES-China60289.2023.10249829Huang W., He Y., Khan A. A Novel Sub-6 GHz and Millimeter Wave Shared-Aperture 5G Base Station Antenna. Proceedings of the International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium, ACES-China, 15–18 August 2023, Hangzhou, China. IEEE; 2023. p.1071–1072. DOI:10.23919/ACES-China60289.2023.10249829Liao G., He Y., Song C. A Shared-Aperture Compact Quad-Band Linearly-Polarized Base Station Antenna // Proceedings of the 12th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP, Nanjing, China, 22–25 September 2024). IEEE, 2024. PP. 318–331. DOI:10.1109/APCAP62011.2024.10882098Liao G., He Y., Song C. A Shared-Aperture Compact Quad-Band Linearly-Polarized Base Station Antenna. Proceedings of the 12th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, APCAP, 22–25 September 2024, Nanjing, China. IEEE; 2024. p.318–331. DOI:10.1109/APCAP62011.2024.10882098Zhang L., Liu T., He Y. Wideband Dual-Polarized Antenna With Novel Grid Patch for Base Station Applications // Proceedings of the 12th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP, Nanjing, China, 22–25 September 2024). IEEE, 2024. PP. 962–967. DOI:10.1109/APCAP62011.2024.10881000Zhang L., Liu T., He Y. Wideband Dual-Polarized Antenna With Novel Grid Patch for Base Station Applications. Proceedings of the 12th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, APCAP, 22–25 September 2024, Nanjing, China. IEEE; 2024. p.962–967, DOI:10.1109/APCAP62011.2024.10881000You C., He Y., Li W., Zhang L., Wong S.-W., Zhou Z. Design of Slot-Coupled Broadband 5G mm Wave Base Station Antenna Based on Double-Layer Patch // Proceedings of the International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP, Guangzhou, China, 27–29 November 2022). IEEE, 2022. DOI:10.1109/IMWS-AMP54652.2022.10106844You C., He Y., Li W., Zhang L., Wong S.-W., Zhou Z. Design of Slot-Coupled Broadband 5G mm Wave Base Station Antenna Based on Double-Layer Patch. Proceedings of the International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications, IMWS-AMP, 27–29 November 2022, Guangzhou, China. IEEE; 2022. DOI:10.1109/IMWS-AMP54652.2022.10106844Huang W., He Y., Li W., Zhang L., Wong S.-W., Zeng Z. A Low-Profile Dual-Polarized Wideband Antenna for 5G Massive MIMO Base Station // Proceedings of the International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition (iWEM, Guangzhou, China, 28–30 November 2021). IEEE, 2021. PP. 2367–2371. DOI:10.1109/iWEM53379.2021.9790399Huang W., He Y., Li W., Zhang L., Wong S.-W., Zeng Z. A Low-Profile Dual-Polarized Wideband Antenna for 5G Massive MIMO Base Station. Proceedings of the International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition, iWEM, 28–30 November 2021, Guangzhou, China. IEEE; 2021. p.2367–2371. DOI:10.1109/iWEM53379.2021.9790399Li R., He Y., Song C. A Broadband SIW-Based Filtering Antenna for 5G mmWave Base Station Application // Proceedings of the International Workshop on Antenna Technology (iWAT, Sendai, Japan, 15–18 April 2024). IEEE, 2024. PP. 351–353. DOI:10.1109/iWAT57102.2024.10535836Li R., He Y., Song C. A Broadband SIW-Based Filtering Antenna for 5G mmWave Base Station Application. Proceedings of the International Workshop on Antenna Technology, iWAT, 15–18 April 2024, Sendai, Japan. IEEE; 2024. p.351–353. DOI:10.1109/iWAT57102.2024.10535836Tu Z., Cui Y., Li R. A Compact Dual Broadband Shared-Aperture Antenna Array for 5G Base Station Applications // Proceedings of the Conference on Antenna Measurements and Applications (CAMA, Guangzhou, China, 14–17 December 2022). IEEE, 2022. PP. 2767–2774. DOI:10.1109/CAMA56352.2022.10002619Tu Z., Cui Y., Li R. A Compact Dual Broadband Shared-Aperture Antenna Array for 5G Base Station Applications. Proceedings of the Conference on Antenna Measurements and Applications, CAMA, 14–17 December 2022, Guangzhou, China. IEEE; 2022. p.2767–2774. DOI:10.1109/CAMA56352.2022.10002619Li H., Xu J., Nan Y., Chen Q. Zhou C. Low-Profile Dual-Band Shared-Aperture Base Station Antennas Based on FSS Radiators // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024. Vol. 23. Iss. 6. PP. 1894–1898. DOI:10.1109/LAWP.2024.3372529Li H., Xu J., Nan Y., Chen Q. Zhou C. Low-Profile Dual-Band Shared-Aperture Base Station Antennas Based on FSS Radiators. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024;23(6):1894–1898. DOI:10.1109/LAWP.2024.3372529Shi H., Wu S., Shang F. Broadband magnetoelectric dipole antenna for 5G base station applications // Proceedings of the 13th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE, Zhuhai, China, 01–04 December 2021). IEEE, 2021. PP. 660–663. DOI:10.1109/ISAPE54070.2021.9753134Shi H., Wu S., Shang F. Broadband magnetoelectric dipole antenna for 5G base station applications. Proceedings of the 13th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory, ISAPE, 01–04 December 2021, Zhuhai, China. IEEE; 2021. p.660–663. DOI:10.1109/ISAPE54070.2021.9753134Бородулин Р.Ю., Лукъянов Н.О., Лянгузов Д.А. Разработка антенной решетки с планарным антенным элементом // Телекоммуникации и связь. 2025. № 1(4). С. 74–85. DOI:10.21681/3034-4050-2025-1-74-85. EDN:FKUAKLBorodulin R.U., Lukyanov N.O., Lyanguzov D.A. Development of an antenna grid with a planar antenna element. Telecommunications and Communications. 2025;1(4):74–85. DOI 10.21681/3034-4050-2025-1-74-85. EDN:FKUAKL

The authors declare that there are no conflicts of interest present.